Авдюхин Алексей Анатольевич

Дипломное задание

Пауло Франка. C++, учебный курс. Москва: издательский дом «Питер», 2003

П. Хоровиц, У. Хилл.: Искусство схемотехники. Мир, 2006

4.3 Периодическая литература

4..4 Справочная и методическая литература (в том числе литература по методам обработки экспериментальных данных)

2. Временные диаграммы протоколов.

3. Изображения клиентского программного обеспечения.

12. Руководитель работы доцент, к. т. н. Ревин С.А.

(должность, звание, Ф.И.О.)

(подпись)

13. Консультанты по работе (с указанием относящихся к ним разделов)

Шеховцова Н.Ф. - по экономике и управлению производством;

Вольшонок И.З. - по БЖД и экологии;

Чараев Г.Г. - по стандартизации, метрологии и нормоконтролю

БЖД и экологии; Чараев Г.Г. - по стандартизации, метрологии и нормоконтролю.

Дата выдачи задания 6 апреля, 2009

Задание принял к исполнению студент

(подпись)

Микроконтроллеры AVR имеют гарвардскую архитектуру (программа и данные находятся в разных адресных пространствах) и систему команд, близкую к идеологии RISC. Процессор AVR имеет 32 8-битных регистра общего назначения, объединённых в регистровый файл. В отличие от «идеального» RISC, регистры не абсолютно ортогональны:

Всё множество команд микроконтроллеров AVR можно разбить на несколько групп:

Стандартные семейства:

Низкочастотный кварцевый генератор

Для использования часового кварцевого резонатора 32768 кГц в качестве источника синхронизации необходимо выбрать низкочастотный кварцевый генератор путем установки конфигурационных бит CKSEL равными “1001”. Подключение кварцевого резонатора показано на рисунке 19. Путем программирования конфигурационного бита пользователь может разрешить подключение встроенных конденсаторов к выводам XTAL1 и XTAL2, тем самым исключая необходимость применения внешних конденсаторов. Внутренние конденсаторы имеют номинал 36 пФ. После выбора данного генератора, длительности задержек при старте определяются конфигурационными битами SUT (Таблица 5).

Таблица 5 - Длительности задержек

Внешний RC-генератор

Для приложений некритичных к стабильности временных характеристик в качестве источника синхронизации может использоваться внешняя RC-цепь, подключение. Тактовая частота грубо определяется выражением f = 1/(3RC). Номинал конденсатора C должен быть не менее 22 пФ. Путем программирования конфигурационного бита CKOPT пользователь может разрешить подключение внутреннего конденсатора 36 пФ между XTAL1 и GND (рисунок), тем самым исключая необходимость применения внешнего конденсатора. Более подробная информация о работе генератора и о выборе номиналов R и C приведена в рекомендациях по применению внешнего RC-генератора.

Рисунок 5 - Внешний RC генератор

Генератор может работать в четырех различных режимах, каждый из которых ориентирован на специфический частотный диапазон. Рабочий режим выбирается конфигурационными битами CKSEL3..0 (

Таблица 6).

Таблица 6 - Рабочие режимы внешнего RC генератора

После разрешения работы данного генератора длительность задержки при старте определяется установками конфигурационных бит (Таблица 5).

Таблица 7 - Длительности задержек при старт после выбора внешнего RC-генератора

Встроенный калиброванный RC-генератор

Встроенный калиброванный RC-генератор формирует фиксированные тактовые частоты 1.0, 2.0, 4.0 или 8.0 МГц. Данные значения частот являются номинальными и определены для напряжения питания 5В при 25 градусах. Одна из этих частот может быть выбрана в качестве тактовой, если запрограммировать конфигурационные биты CKSEL (

Таблица 8). После выбора микроконтроллер будет работать без внешних компонентов. Конфигурационный бит CKOPT должен быть всегда незапрограммированным, если используется внутренний RC-генератор. В процессе сброса калибровочный байт аппаратно записывается регистр OSCCAL, тем самым автоматически выполняя калибровку RC-генератора. При питании 5В, температуре 25 градусов и выбранной частоте генератора 1.0 МГц данный метод калибровки обеспечивает погрешность генерации частоты не хуже ± 3% от номинального значения. Использование методов калибровки во время работы микроконтроллера позволяет достичь точности ± 1% при любой заданной температуре и напряжении VCC. При использовании данного генератора в качестве тактового генератор сторожевого таймера также останется использоваться для тактирования сторожевого таймера и для задания длительности задержки при сбросе. Более подробная информация о предварительно запрограммированном калибровочном значении приведена в разделе “Калибровочный байт”.

Таблица 8 - Режимы встроенного калибрированного RC-генератора

После выбора данного генератора длительность задержки при запуске микроконтроллера определяется установками конфигурационных бит SUT (Таблица 9). Выводы XTAL1 и XTAL2 должны быть оставлены неподключенными (NC).

Таблица 9 - Длительности задержек при запуске с различными настройками встроенного калибрированного RC-генератора

Регистр калибровки генератора - OSCCAL

Во втором разделе дипломной работы подробно рассматривается разработка программного обеспечения комплекса. В случае с микроконтроллером микропрограмма, записываемая в него, называется прошивкой. Было решено написать её на языке C, используя среду WinAVR. Этот пакет содержит компилятор C/C++ для микроконтроллеров AVR и набор готовых библиотек, облегчающих разработку. Самое сложное в данном проекте - согласование всех цифровых компонентов, ведь у каждого из них свой протокол обмена данными, соответственно надо написать модули для работы с этими протоколами, основываясь на технической документации к компонентам. Рассмотрим каждый из них подробнее.

2.1.1 Работа с контроллером дисплея HD44780

Разработку устройства, основанного на микроконтроллере, стоит начинать с организации ввода и вывода, иначе контролировать выполняемую программу будет невозможно. Дисплей Winstar WH2404 основан на контроллере HD44780, это очень популярный контроллер, на нём основаны почти все знакогенерирующие дисплеи. Для его связи с микроконтроллером используется семь проводов, под которые был выделен отдельный порт:

· A0 - RS, определяет тип данных

· A1 - RW, определяет направление данных

· A2 - E, синхронизация

· A3 - D4, данные

· A4 - D5, данные

· A5 - D6, данные

· A6 - D7, данные

Логическая структура LCD контроллера HD44780.

DDRAM - память дисплея. Все что запишется в DDRAM, будет выведено на экран. Например, при записи туда кода 0?31 -- на экране выскочит символ “1? т.к. 0х31 это ASCII код цифры 1. Но есть тут одна особенность - DDRAM память гораздо больше, чем видимая область экрана. DDRAM содержит 80 ячеек -- 40 в первой строке и 40 во второй, а дисплей может двигаться по этой памяти, высвечивая видимую область. Для перемещения дисплея есть специальная команда. Также есть понятие курсора -- это место, в которое будет записан следующий символ, т.е. текущее значение счетчика адреса. Курсор не обязательно может быть на экране, он может располагаться и за экраном или быть отключен вовсе.

CGROM - таблица символов. Когда мы записываем в ячейку DDRAM байт, то из таблицы берется символ и рисуется на экране. CGROM нельзя изменить, поэтому важно, чтобы она имела кириллические символы.

CGRAM - тоже таблица символов, но ее мы можем менять, создавая свои символы. Адресуется она линейно, то есть вначале идет 8 байт одного символа, построчно, снизу вверх -- один бит равен одной точке на экране. Потом второй символ также. Поскольку знакоместо составляет 5 на 8 точек, то старшие три бита роли не играют. Всего в CGRAM может быть 8 символов, соответственно CGRAM имеет 64 байта памяти. Эти программируемые символы имеют коды от 0х00 до 0х08. Например, записав в первые 8 байт CGRAM (первый символ с кодом 00) какую-то информацию, и записав в DDRAM нуль (код первого символа в CGRAM) мы увидим на экране наш символ.

Доступ к памяти осуществляется достаточно легко: выбираем командой в какую именно память и начиная с какого адреса будут записываться данные, затем просто посылаем эти данные. Если указано, что записываем в DDRAM то данные выводятся на экран (или в скрытую область), а если в CGRAM то данные будут записаны в память знакогенератора.

Контроллер DH44780 предоставляет нам несколько простых команд. О том, что передается дисплею - команда или данные, определяется состоянием вывода RS. Сама команда состоит из старшего бита, определяющего, за что отвечает данная команда, и битов параметров, указывающих контроллеру HD44780 что именно требуется сделать. Таблица команд приведена ниже.

Таблица 12 - Команды контроллера HD44780

Значения бит:

· I/D - инкремент или декремент счетчика адреса. По умолчанию стоит «0» - инкремент. Т.е. каждый следующий байт будет записан в n+1 ячейку. Если поставить 1 - будет декремент.

· S - сдвиг экрана, если поставить «1», то с каждым новым символом будет сдвигаться окно экрана, пока не достигнет конца DDRAM.

· D - включить дисплей. Если поставить туда «0» то изображение исчезнет, а чтобы картинка появилась в эту позицию надо записать «1».

· С - включить курсор в виде прочерка. «1» - включился курсор, «0» - выключить.

· B - вид курсора. «1» - в виде прямоугольника, «0» - в виде чёрточки.

· S/C - сдвиг курсора или экрана. «0» - сдвигается курсор, «1» - экран. По одному разу за команду

· R/L - определяет направление сдвига курсора и экрана. «0» - влево, «1» - вправо.

· D/L - бит определяющий ширину шины данных. «1» - 8 бит, «0» - 4 бита.

· N - число строк. «0» - одна строка, «1» - две строки.

· F - размер символа. «0» - 5х8 точек, «1» - 5х10 точек.

· AG - адрес в памяти CGRAM.

· АD - адрес в памяти DDRAM.

Соответственно перед началом работы (т.е. при включении устройства) нужно сначала инициализировать дисплей. Для этого требуется выполнить следующие команды (Рисунок 13).

Рисунок 13 - Инициализация дисплея

Для наглядности привожу временные диаграммы для записи и чтения данных.

Рисунок 14 - Запись данных

Рисунок 15 - Чтение данных

Для упрощения работы с передачей и приёмом данных было написано несколько функций.

Функция «hd44780_outnibble» для записи 4 бит данных, т.к. используется четырёхбитную шину передачи данных:

static void

hd44780_outnibble(uint8_t n, uint8_t rs)

{

uint8_t x;

HD44780_PORTOUT &= ~_BV(HD44780_RW);

if (rs)

HD44780_PORTOUT |= _BV(HD44780_RS);

else

HD44780_PORTOUT &= ~_BV(HD44780_RS);

x = (HD44780_PORTOUT & ~HD44780_DATABITS) | ((n << HD44780_D4) & HD44780_DATABITS);

HD44780_PORTOUT = x;

(void)hd44780_pulse_e(false);

}

Функция «hd44780_outbyte» для записи байта данных, соответственно она два вызывает функцию «hd44780_outnibble»:

void

hd44780_outbyte(uint8_t b, uint8_t rs)

{

hd44780_outnibble(b >> 4, rs);

hd44780_outnibble(b & 0xf, rs);

}

Функция «hd44780_innibble» для чтения четырёх бит данных:

static uint8_t

hd44780_innibble(uint8_t rs)

{

uint8_t x;

HD44780_PORTOUT |= _BV(HD44780_RW);

HD44780_DDR &= ~HD44780_DATABITS;

if (rs)

HD44780_PORTOUT |= _BV(HD44780_RS);

else

HD44780_PORTOUT &= ~_BV(HD44780_RS);

x = hd44780_pulse_e(true);

HD44780_DDR |= HD44780_DATABITS;

HD44780_PORTOUT &= ~_BV(HD44780_RW);

return (x & HD44780_DATABITS) >> HD44780_D4;

}

Функция «hd44780_inbyte» для чтения байта данных:

uint8_t

hd44780_inbyte(uint8_t rs)

{

uint8_t x;

x = hd44780_innibble(rs) << 4;

x |= hd44780_innibble(rs);

return x;

}

Вспомогательная функция «hd44780_wait_ready», которая ожидает ответа от дисплея:

void

hd44780_wait_ready(void)

{

while (hd44780_incmd() & HD44780_BUSYFLAG) ;

}

На основе всего этого теперь легко написать функцию «hd44780_init», которая инициализирует дисплей:

void

hd44780_init(void)

{

HD44780_DDR = _BV(HD44780_RS) | _BV(HD44780_RW) | _BV(HD44780_E)

| HD44780_DATABITS;

_delay_ms(15); /* 40 ms needed for Vcc = 2.7 V */

hd44780_outnibble(HD44780_FNSET(1, 0, 0) >> 4, 0);

_delay_ms(4.1);

hd44780_outnibble(HD44780_FNSET(1, 0, 0) >> 4, 0);

_delay_ms(0.1);

hd44780_outnibble(HD44780_FNSET(1, 0, 0) >> 4, 0);

hd44780_outnibble(HD44780_FNSET(0, 1, 0) >> 4, 0);

hd44780_wait_ready();

hd44780_outcmd(HD44780_FNSET(0, 1, 0));

hd44780_wait_ready();

hd44780_outcmd(HD44780_DISPCTL(0, 0, 0));

hd44780_wait_ready();

}

Все эти функции были помещены в файл «hd44780.c», который представляет из себя модуль низкоуровневой работы с дисплеем. Более высокоуровневые функции размещены в модуле «lcd.c».

Полная инициализация дисплея:

void

lcd_init(void)

{

hd44780_outcmd(HD44780_CLR);

hd44780_wait_ready();

hd44780_outcmd(HD44780_ENTMODE(1, 0));

hd44780_wait_ready();

hd44780_outcmd(HD44780_DISPCTL(1, 0, 0));

hd44780_wait_ready();

}

Было решено использовать собственный текстовый буфер, в который будут предварительно заноситься данные. Сделано это для того, чтобы в любой момент можно было вывести на дисплей произвольный текст, сохранив при этом то, что было на экране ранее.

Для вывода буфера используется функция «lcd_update»:

void lcd_update()

{

unsigned char c;

hd44780_wait_ready();

hd44780_outcmd(HD44780_DDADDR(0));

for (c = 0; c<24; c++)

{

hd44780_wait_ready();

hd44780_outdata(MainBuff[c]);

}

hd44780_wait_ready();

hd44780_outcmd(HD44780_DDADDR(40));

for (c = 24; c<48; c++)

{

hd44780_wait_ready();

hd44780_outdata(MainBuff[c]);

}

}

А для записи в буфер используется функция «lcd_putchar»:

int lcd_putchar(char c)

{

c = RusEncode(c);

if (c == '\n')

{

iBuffPos = 24;

} else {

if (iBuffPos == -1) return 0;

MainBuff[iBuffPos] = c;

iBuffPos++;

if ((iBuffPos == 24) || (iBuffPos == 48)) iBuffPos = -1;

}

return 0;

}

Для записи данных в буфер была написана функция «lcd_print»:

void lcd_print(char* text)

{

while (*text)

{

lcd_putchar(*text);

text++;

}

}

Таким образом, можно вывести текст на дисплей, используя всего два вызвова: «lcd_print(`Текст')» и «lcd_update()», но лучше так не делать. Дело в том, что изначально все константы хранятся в оперативной памяти программы, а у микроконтроллера ATMEGA16 её всего два килобайта. Поэтому следует использовать специальную директиву компилятора «PROGMEM», чтобы хранить данные в программной области. Делается это так:

char Text PROGMEM = `Текст';

Однако, это накладывает некоторые ограничения - эти данные нельзя использовать напрямую, необходимо вызывать специальные функции для их чтения: «pgm_read_byte», «pgm_read_word» и т.д. Поэтому была написана ещё и функция, которая выводит на экран текст, автоматически читая его из программной области памяти:

void lcd_print_pgm(char* text)

{

char c;

while (c = pgm_read_byte(text), c)

{

lcd_putchar(c);

text++;

}

}

2.1.3 Работа с USART контроллером

Дисплей используется для взаимодействия устройства с человеком. Для связи с другими устройствами было решено использовать USART контроллер, который уже встроен в ATMEGA16.

Универсальный синхронный и асинхронный последовательный приемопередатчик (USART) предназначен для организации гибкой последовательной связи.

Отличительные особенности:

· Полнодуплексная работа (раздельные регистры последовательного приема и передачи)

· Асинхронная или синхронная работа

· Ведущее или подчиненное тактирование связи в синхронном режиме работы

· Высокая разрешающая способность генератора скорости связи

· Поддержка формата передаваемых данных с 5, 6, 7, 8 или 9 битами данных и 1 или 2 стоп-битами

· Аппаратная генерация и проверка бита паритета (четность/нечетность)

· Определение переполнения данных

· Определение ошибки в структуре посылки

· Фильтрация шума с детекцией ложного старт-бита и цифровым ФНЧ

· Три раздельных прерывания по завершении передачи, освобождении регистра передаваемых данных и завершении приема

· Режим многопроцессорной связи

· Режим удвоения скорости связи в асинхронном режиме

Краткий обзор.

Ниже представлена упрощенная функциональная схема USART. На рисунке жирным шрифтом выделены регистры и выводы USART.

Рисунок 16 - Передача одного байта информации через USART

Рисунок 17 - Функциональная схема USART контроллера

Пунктирной линией выделены три основных блока USART: тактовый генератор, передатчик и приемник. Регистры управления используются всеми блоками. Логика тактового генератора состоит из логики синхронизации, связанной с внешним тактовым входом (используется в подчиненном режиме) и генератора скорости связи. Вывод XCK (синхронизация передачи) используется только в режиме синхронной передачи. Передатчик состоит из одного буфера записи, последовательного сдвигового регистра, генератора паритета и управляющей логики, которая поддерживает различные форматы последовательной посылки. Буфер записи позволяет непрерывно передавать данные без каких-либо задержек между передачей посылок. Приемник является более сложным блоком USART, т.к. в его состав входят модули обнаружения данных и синхронизации. Модули обнаружения необходимы для асинхронного приема данных. Помимо модулей обнаружения в приемник входит устройство проверки паритета, сдвиговый регистр, и двухуровневый приемный буфер (UDR). Приемник поддерживает те же последовательные форматы, что и передатчик, и может определить ошибку в посылке (кадре), переполнение данных и ошибку паритета.

Инициализация.

Инициализация USART осуществляется через регистры UCSR и UBRR. Для этого была написана функция «USART_init»:

void USART_init(void)

{

#if F_CPU < 2000000UL && defined(U2X)

UCSRA = _BV(U2X);

UBRRL = (F_CPU / (8UL * UART_BAUD)) - 1;

#else

UBRRL = (F_CPU / (16UL * UART_BAUD)) - 1;

#endif

UCSRB = _BV(TXEN) | _BV(RXEN) | _BV(RXCIE);

}

Эта функция универсальная за счёт использования в ней формул с константой F_CPU, которая равна текущей тактовой частоте микроконтроллера в герцах.

Для передачи данных используется функция «USART_TransmitByte»:

void USART_TransmitByte( unsigned char data )

{

while ( !( UCSRA & (1<<UDRE)) );

UDR = data;

}

Она передаёт один байт данных, ожидая перед этим завершения предыдущей передачи. Для приёма данных используется прерывание RXC, которое вызывается автоматически.

2.1.4 Работа с датчиками температуры

Датчики температуры DS1820 работают на основе протокола «1-Wire». Интерфейс 1-Wire разработан фирмой Dallas Semiconductor. Этот протокол привлекателен малым количеством выводов микроконтроллера, требующихся для подключения практически неограниченного количества микросхем. В самом деле, двусторонний обмен требует всего 1 линию. Кроме того, ассортимент устройств с этим интерфейсом весьма широк. Наконец, протокол обмена по этому интерфейсу очень прост и легко реализуется программно практически на любых микроконтроллерах.

Рисунок 18 - Схема подключения 1-Wire устройств

На рисунке показана упрощенная схема аппаратной реализации интерфейса 1-Wire. Вывод DQ устройства представляет собой вход КМОП-логического элемента, который может быть зашунтирован (замкнут на общий провод) полевым транзистором. Сопротивление канала этого транзистора в открытом состоянии - около 100 Ом. Когда транзистор заперт - имеется небольшой ток утечки (примерно 5 мкА) на общий провод. Шина 1-Wire должна быть подтянута отдельным резистором к напряжению питания устройств (которое, кстати, может быть от 3 до 5В - уточняется по характеристикам конкретного устройства). Сопротивление этого резистора 4.7 К, однако, это значение рекомендовано только для достаточно коротких линий. Если шина 1-Wire используется для подключения удаленных на большое расстояние устройств, то сопротивление этого резистора следует уменьшить. Минимально допустимое его сопротивление - около 300 Ом, а максимальное - около пары-тройки десятков килоом.

Подключение шины 1-Wire к микроконтроллеру показано условно в двух вариантах: с использованием 2 отдельных выводов микроконтроллера (один в качестве выхода, а другой в качестве входа), так и одного, работающего и на ввод и на вывод. Разделение этих способов показано пунктирной линией, условно обозначающей границу корпуса микроконтроллера. Очевидно, что передача какой-либо информации при этом возможна только выдачей низкого уровня в линию, т.е. замыканием ее на общий провод, а в высокий логический уровень линия вернется сама, благодаря наличию внешнего подтягивающего резистора. Так же очевидно, что одновременная передача нескольких устройств обречена на неудачу из-за полного искажения информации (все передаваемые единицы одного устройства будут подавлены передаваемыми нулями от другого устройства).

Как происходит обмен информацией по шине 1-Wire.

· Обмен всегда ведется по инициативе одного ведущего устройства, которое в нашем случае является микроконтроллером.

· Любой обмен информацией начинается с подачи импульса сброса («Reset Pulse» или просто «RESET») в линию 1-Wire ведущим устройством.

· Для интерфейса 1-Wire в общем случае предусматривается "горячее" подключение и отключение устройств.

· Любое устройство, подключенное к 1-Wire после получения питания выдает в линию DQ импульс присутствия, называемый «Presence pulse» (или просто «PRESENCE»). Этот же импульс устройство всегда выдает в линию, если обнаружит сигнал «RESET».

· Появление в шине 1-Wire импульса PRESENCE после выдачи RESET однозначно свидетельствует о наличии хотя бы одного подключенного устройства.

· Обмен информации ведется так называемыми тайм-слотами: один тайм-слот служит для обмена одним битом информации.

· Данные передаются побайтно, бит за битом, начиная с младшего бита. Достоверность переданных/принятых данных (проверка отсутствия искажений) гарантируется путем подсчета циклической контрольной суммы.
На следующем рисунке показана диаграмма сигналов RESET и PRESENCE, с которых всегда начинается любой обмен данными. Кстати, выдача импульса RESET в процессе обмена служит для досрочного завершения процедуры обмена информацией.

Рисунок 19 - Имульс RESET

Как видим, длительность большинства временных интервалов очень приблизительная и имеет только ограничение только по минимуму (не меньше указанного). Условные обозначения линий, показанные на рисунке, будут использоваться и далее. Импульс RESET формирует микроконтроллер, переводя в низкий логический уровень шину 1-Wire и удерживая ее в этом состоянии минимум 480 микросекунд. Затем микроконтроллер должен "отпустить" шину. Через некоторое время, зависящее от емкости линии и сопротивления подтягивающего резистора, в линии установится высокий логический уровень. Протокол 1-Wire ограничивает это время "релаксации" диапазоном от 15 до 60 микросекунд, что и является определяющим для выбора подтягивающего резистора (как правило, емкость линии мы менять существенно не можем, а именно она оказывает существенное влияние на время возврата линии к высокому уровню).